DE102016106795A1 - Brennstoffzellensystem - Google Patents

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Abstract

Es ist eine Aufgabe das Geräusch und die Vibration, die durch den Betrieb eines Injektors in einem Nicht-Stromerzeugungszustand einer Brennstoffzelle entstehen, zu verringern. Es ist ein Brennstoffzellensystem vorgesehen, das Brennstoffzellen aufweist, die derart konfiguriert sind, dass jede der Brennstoffzellen eine Anode, eine Elektrolytmembran und eine Kathode umfasst; und ein Controller, der derart konfiguriert ist, dass er den Betrieb einer Injektors derart steuert, dass der Druck der Anode einen Solldruck erreicht. In einem Nicht-Stromerzeugungszustand nach einem Start des Brennstoffzellensystems, aber vor Stromerzeugung der Brennstoffzellen, stellt der Controller einen zweiten Solldruck, der höher ist als ein erster Solldruck, als den Solldruck ein und steuert den Betrieb des Injektors derart, dass sich der Druck der Anode an den zweiten Solldruck angleicht. Nach dem Erhöhung des Drucks der Anode auf einen höheren Wert als den ersten Solldruck stellt der Controller den ersten Solldruck als den Solldruck ein und steuert den Betrieb des Injektors derart, dass sich der Druck der Anode an den ersten Solldruck angleicht. Der erste Solldruck ist ein Druck, der benötigt wird, um den gesamten Anoden der Brennstoffzelle Wasserstoff zuzuführen.

Description

  • QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
  • Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der am 25. Juni 2015 eingereichten japanischen Patentanmeldung mit der Nummer 2015-127344 , deren Inhalt mit Bezugnahme in diese Anmeldung aufgenommen ist.
  • HINTERGRUND
  • Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem.
  • Stand der Technik
  • Als ein Beispiel für ein Brennstoffzellensystem, das die Zufuhr eines Reaktionsgases zu einer Brennstoffzelle steuert, berechnet ein in JP 2008-130442 A offenbartes System einen Solldruckwert eines Brenngases basierend auf dem Betriebszustand eines Brennstoffzellenstapels und steuert den Betrieb eines Injektors derart, dass die Zufuhrmenge des Brenngases reguliert wird, um eine Abweichung zwischen dem berechneten Solldruckwert und einem von einem Sensor erfassten Druckwert auszugleichen.
  • Bei einem solchen Brennstoffzellensystem, das den Injektor verwendet, um die Zufuhrmenge des Brenngases zu regulieren, ist es wahrscheinlich, dass sich der Benutzer in einem Nicht-Stromerzeugungszustand, in dem weder ein zur Zufuhr von Luft zur Stromerzeugung der Brennstoffzelle konfigurierter Kompressor noch eine zum Zirkulieren von Kühlwasser für die Brennstoffzelle konfigurierte Kühlwasserpumpe nach einem Start des Systems in Betrieb genommen werden, aufgrund des fehlenden Betriebsgeräusches des Kompressors und der Kühlwasserpumpe im Vergleich zu dem Betrieb des Injektors in dem Stromerzeugungszustand unbehaglich fühlt. Dementsprechend wird eine Technik benötigt, die das Geräusch und die Vibration, die durch den Betrieb des Injektors in dem Nicht-Stromerzeugungszustand der Brennstoffzelle entstehen, reduziert.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Um zumindest einen Teil der vorstehend genannten Probleme zu lösen, kann die Erfindung gemäß einem der folgenden Aspekte realisiert werden.
    • (1) Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem vorgesehen. Das Brennstoffzellensystem weist einen Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl an Brennstoffzellen auf, wobei jede Brennstoffzelle eine Elektrolytmembran, eine an einer Oberfläche der Elektrolytmembran ausgebildete Anode und eine an einer anderen Oberfläche der Elektrolytmembran ausgebildete Kathode umfasst; einen Injektor, der derart konfiguriert ist, dass er der Anode Wasserstoff zuführt; und einen Controller, der derart konfiguriert ist, dass er den Vorgang des Injizierens derart steuert, dass ein Druck der Anode einen Solldruck erreicht. In einem Nicht-Stromerzeugungszustand, das heißt, nach einem Start des Brennstoffzellensystems, aber vor Stromerzeugung der Brennstoffzellen, stellt der Controller einen zweiten Solldruck, der höher ist als ein erster Solldruck, als Solldruck ein und steuert den Betrieb des Injektors derart, dass sich der Druck der Anode an den zweiten Solldruck angleicht. Nach Erhöhen des Drucks der Anode auf einen höheren Wert als den ersten Solldruck stellt der Controller den ersten Solldruck als den Solldruck ein und steuert den Betrieb des Injektors derart, dass sich der Druck der Anode an den ersten Solldruck angleicht. Der erste Solldruck ist ein benötigter Druck, um den gesamten Anoden der Brennstoffzelle Wasserstoff zuzuführen. Das Brennstoffzellensystem dieses Aspekts stellt den zweiten Solldruck, der höher ist als der erste Solldruck, als den Solldruck der Anode ein, und steuert den Betrieb des Injektors derart, dass sich der Druck der Anode an den zweiten Solldruck angleicht. Nach Erhöhen des Drucks der Anode auf einen höheren Wert als den ersten Solldruck stellt das Brennstoffzellensystem den ersten Solldruck als den Solldruck der Anode ein. Dies verringert die Häufigkeit, mit welcher der Druck der Anode unter den ersten Solldruck abfällt. Dies führt zu einer Verringerung der Anzahl an Malen oder der Häufigkeit des Betriebs des Injektors zum Zweck des Angleichens des Drucks der Anode an den ersten Solldruck. Dies verringert dementsprechend das Geräusch und die Vibration, die durch den Vorgang des Injizierens in dem Nicht-Stromerzeugungszustand entstehen.
    • (2) Das Brennstoffzellensystem des vorgenannten Aspekts kann ferner eine Zirkulationspassage aufweisen, die derart angeordnet ist, dass sie ein von der Anode abgegebenes Abgas zu der Anode zurückführt; und eine Pumpe, die an der Zirkulationspassage vorgesehen ist. Der Controller kann die Pumpe derart betreiben, dass er ein von der Anode abgegebenes Abgas in dem Nicht-Stromerzeugungszustand zu der Anode zurückführt. Das Brennstoffzellensystem dieses Aspekts erleichtert die Zufuhr des Wasserstoffs zu der gesamten Anode in der Brennstoffzelle und unterdrückt ein Wasserstoffdefizit an der Anode daher effektiver.
    • (3) Bei dem Brennstoffzellensystem des vorgenannten Aspekts misst der Controller in dem Nicht-Stromerzeugungszustand, nach Angleichen des Drucks der Anode an den zweiten Solldruck, den Druck der Anode, um einen Wasserstoff-Lecktest in dem Brennstoffzellensystem durchzuführen.
  • Die Erfindung kann gemäß verschiedener anderer Aspekte als dem vorstehend beschriebenen Brennstoffzellensystem realisiert werden, beispielsweise einem Steuerverfahren für das Brennstoffzellensystems oder einem mit dem Brennstoffzellensystem ausgestatteten Fahrzeug.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • 1 ist ein Diagramm, das die schematische Konfiguration eines Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung darstellt;
  • 2 ist ein Flussdiagramm, das einen von einem Controller durchgeführten Wasserstoffzufuhrprozess zeigt;
  • 3 ist ein Diagramm, das ein Beispiel des Zustands des Brennstoffzellensystems in dem Wasserstoffzufuhrprozess darstellt;
  • 4 ist ein Diagramm, das die schematische Konfiguration eines Brennstoffzellensystems gemäß einer zweiten Ausführungsform darstellt;
  • 5 ist ein Flussdiagramm, das einen von dem Controller durchgeführten Wasserstoffzufuhrprozess gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt;
  • 6 ist ein Diagramm, das ein Beispiel des Zustands des Brennstoffzellensystems in dem Wasserstoffzufuhrprozess gemäß der zweiten Ausführungsform darstellt; und
  • 7 ist ein Flussdiagramm, das einen Wasserstoffzuprozess gemäß einer dritten Ausführungsform zeigt.
  • BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • A. Erste Ausführungsform
  • A1. Systemkonfiguration
  • 1 ist ein Diagramm, das die schematische Konfiguration eines Brennstoffzellensystems 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung darstellt. Das Brennstoffzellensystem 10 ist beispielsweise an einem Fahrzeug angebracht, um als Reaktion auf die Anforderung des Fahrers elektrischen Strom als Stromquelle des Fahrzeugs auszugeben. Das Brennstoffzellensystem 10 der Ausführungsform umfasst einen Brennstoffzellenstapel 100, einen Controller 20, ein Kathodengaszufuhrsystem 30, ein Kathodengasabführsystem 40, ein Anodengaszufuhrsystem 50, ein Anodengasabführsystem 60 und ein Kühlsystem 70.
  • Der Brennstoffzellenstapel 100 ist durch Polymerelektrolytbrennstoffzellen realisiert, denen Wasserstoff (Anodengas) und Luft (Kathodengas) als Reaktionsgase zugeführt werden, und die elektrischen Strom erzeugen. Der Brennstoffzellenstapel 100 wird durch Stapeln einer Mehrzahl an Brennstoffzellen 11 gebildet.
  • Jede Brennstoffzelle 11 umfasst eine Membranelektrodenanordnung 5, und zwei Separatoren (nicht dargestellt), welche Basisplatten sind, die über der Membranelektrodenanordnung 5 angeordnet sind, um Strömungswege für Reaktionsgase und ein Kühlmittel zu bilden und zudem als Stromabnehmer zu dienen. Die Membranelektrodenanordnung 5 umfasst eine Elektrolytmembran 1 und Elektroden 2 und 3, die an den jeweiligen Oberflächen der Elektrolytmembran 1 positioniert sind. Die Elektrolytmembran 1 ist ein Polymerelektrolyt-Dünnfilm mit einer guten Protonenleitfähigkeit in feuchtem Zustand. Die Elektrode der Brennstoffzelle 11, der Luft zugeführt wird, wird als Kathode (Luftelektrode) bezeichnet, und die Elektrode, der Wasserstoff zugeführt wird, wird als Anode (Brennstoffelektrode) bezeichnet. Bei dem Prozess der Stromerzeugung in der Brennstoffzelle 11 wird durch die elektrochemische Reaktion zwischen dem Wasserstoff und dem Sauerstoff Wasser an der Kathodenseite produziert.
  • Der Controller 20 ist durch einen Computer mit einer CPU, einem RAM und einem ROM realisiert. Der Controller 20 führt einen Wasserstoffzufuhrpozess aus, um Wasserstoff zuzuführen, während zumindest entweder das Geräusche und/oder die Vibration eines Injektors 55 in dem Nicht-Stromerzeugungszustand verringert wird. In dem ROM des Controllers 20 sind ein erster Solldruck P1, ein zweiter Solldruck P2 und eine eingestellte Zeit tP2 seit Einstellen des zweiten Solldrucks P2 gespeichert, die in dem Wasserstoffzufuhrprozess verwendet werden. Die Einzelheiten des Wasserstoffzufuhrprozesses werden zu einem späteren Zeitpunkt beschrieben. Der Controller 20 stellt einen Solldruck ein, der ein Sollwert des Anodendrucks in dem Brennstoffzellenstapel 100 ist, und steuert den Betrieb des Injektors 55 derart, dass sich der Anodendruck an den Solldruck angleicht. Der Controller 20 stellt insbesondere den zweiten Solldruck P2, der höher ist als der erste Solldruck P1, als den Solldruck der Anode ein, und steuert den Betrieb des Injektors 55 derart, dass sich der Anodendruck an den zweiten Solldruck P2 angleicht. Nach Erhöhung des Anodendrucks auf einen höheren Wert als den ersten Solldruck P1, stellt der Controller 20 den ersten Solldruck P1 als den Solldruck der Anode ein, und steuert den Betrieb des Injektors 55 derart, dass sich der Anodendruck an den ersten Solldruck P1 angleicht. Zudem steuert der Controller 20 das Kathodengaszufuhrsystem 30, das Kathodengasabführsystem 40, das Anodengaszufuhrsystem 50, das Anodengasabführsystem 60 und das Kühlsystem 70 und bewirkt, dass der Brennstoffzellenstapel 100 elektrischen Strom erzeugt.
  • Das Kathodengaszufuhrsystem 30 umfasst eine Kathodengasleitung 31, einen Luftkompressor 32, einen Luftdurchflussmesser 33 und ein Schaltventil 34. Die Kathodengasleitung 31 ist eine Rohrleitung, die mit einem Zufuhrverteiler an der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 100 verbunden ist. Der Luftkompressor 32 ist mit dem Brennstoffzellenstapel 100 mittels der Kathodengasleitung 31 verbunden, um die Außenluft aufzunehmen und zu verdichten und dem Brennstoffzellenstapel 100 die verdichtete Luft als Kathodengas zuzuführen.
  • Der Luftdurchflussmesser 33 ist stromaufwärtig des Luftkompressors 32 positioniert und dient zum Messen der Menge an Außenluft, die von dem Luftkompressor 32 aufgenommen wird, und zum Senden des gemessenen Wertes an den Controller 20. Der Controller 20 betreibt den Luftkompressor 32 basierend auf diesem gemessenen Wert, um die Zufuhrmenge der Luft zu dem Brennstoffzellenstapel 100 zu steuern. Das Schaltventil 34 ist zwischen dem Luftkompressor 32 und dem Brennstoffzellenstapel 100 angeordnet. Das Schaltventil 34 ist normalerweise geschlossen und wird durch Zufuhr der Luft mit einem vorbestimmten Druck von dem Luftkompressor 32 zu der Kathodengasleitung 31 geöffnet.
  • Das Kathodengasabführsystem 40 umfasst eine Kathodenabgasleitung 41 und einen Druckregler 43. Die Kathodenabgasleitung 41 ist eine Rohrleitung, die mit einem Abführverteiler an der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 100 verbunden ist. Ein Kathodenabgas wird durch die Kathodenabgasleitung 41 geleitet und wird aus dem Brennstoffzellensystem 10 ausgetragen. Die Öffnung des Druckreglers 43 wird von dem Controller 20 gesteuert, um den Druck des Kathodenabgases in der Kathodenabgasleitung 41 (d. h., den Gegendruck an der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 100) zu regulieren.
  • Das Anodengaszufuhrsystem 50 umfasst eine Anodengasleitung 51, einen Wasserstofftank 52, ein Schaltventil 53, einen Regler 54, einen Injektor 55 und eine Druckmesseinheit 56. Der Wasserstofftank 52 ist mittels der Anodengasleitung 51 mit einem Zufuhrverteiler an der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 100 verbunden, um dem Brennstoffzellenstapel 100 den in dem Wasserstofftank 52 gespeicherten Wasserstoff zuzuführen.
  • Das Schaltventil 53, der Regler 54, der Injektor 55 und die Druckmesseinheit 56 sind in dieser Reihenfolge von der Seite des Wasserstofftanks 52, das heißt, der stromaufwärtigen Seite, angeordnet. Das Schaltventil 53 wird als Reaktion auf einen Befehl des Controllers 20 zum Steuern des Einströmens des Wasserstoffs von dem Wasserstofftank 52 zur der stromaufwärtigen Seite des Injektors 55 geöffnet und geschlossen. Der Regler 54 ist ein Druckminderungsventil zum Regulieren des Drucks des Wasserstoffs an der stromaufwärtigen Seite des Injektors 55, dessen Öffnung von dem Controller 20 gesteuert wird. Der Injektor 55 ist ein elektromagnetisch betätigtes Schaltventil. Die Druckmesseinheit 56 misst den Druck an der stromabwärtigen Seite des Injektors 55 und sendet den gemessenen Wert an den Controller 20. Gemäß dieser Ausführungsform erhält der Controller 20 den Druck an der stromabwärtigen Seite des Injektors 55 als den Anodendruck in dem Brennstoffzellenstapel 100.
  • Das Anodengasabführsystem 60 umfasst eine Anodenabgasleitung 61 und ein Schaltventil 66. Die Anodenabgasleitung 61 ist eine Rohrleitung, die mit einem Abführverteiler an der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 100 verbunden ist. Ein Anodenabgas, das nicht umgesetzte Gase (beispielsweise Wasserstoff und Stickstoff) enthält, die bei der Stromerzeugung des Brennstoffzellenstapels 100 nicht verbraucht werden, wird durch die Anodenabgasleitung 61 geleitet und aus dem Brennstoffzellensystem 10 ausgetragen. Das Schaltventil 66 ist an der Anodenabgasleitung 61 angeordnet und wird als Reaktion auf einen Befehl des Controllers 20 geöffnet und geschlossen.
  • Das Kühlsystem 70 umfasst eine Kühlleitung 71, eine Kühlwasserpumpe 73 und einen Kühler 74. Kühlwasser wird durch die Kühlleitung 71 geleitet und wird durch die Kühlwasserpumpe 73 in dem Brennstoffzellenstapel 100 zirkuliert, um den Brennstoffzellenstapel 100 zu kühlen, und wird anschließend von dem Kühler 74 abgekühlt, und wird dem Brennstoffzellenstapel 100 erneut zugeführt.
  • Das an dem Fahrzeug angebrachte Brennstoffzellensystem 10 umfasst zusätzlich eine Sekundärbatterie und einen Gleichspannungswandler, der derart konfiguriert ist, dass er die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 100 steuert und das Laden und Entladen der Sekundärbatterie steuert, obwohl diese weder speziell dargestellt noch beschrieben werden. Die Sekundärbatterie sammelt den von dem Brennstoffzellenstapel 100 ausgegebenen elektrischen Strom und den regenerierten elektrischen Strom und dient zusammen mit dem Brennstoffzellenstapel 100 als Stromquelle.
  • A2. Wasserstoffzufuhrprozess
  • Im Folgenden wird der in dem Brennstoffzellensystem 10 durchgeführte Wasserstoffzufuhrprozess beschrieben. Dieser Prozess wird in dem Nicht-Stromerzeugungszustand durchgeführt, das heißt, nach einem Start des Brennstoffzellensystems 10, aber vor der Stromerzeugung der Brennstoffzellen 11.
  • Der Wasserstoffzufuhrprozess führt dem Brennstoffzellenstapel 100 im Vorhinein Wasserstoff über das Anodengaszufuhrsystem 50 zu, um die Zeitspanne zu überbrücken bis den gesamten Anoden zum Zeitpunkt der Stromerzeugung des Brennstoffzellenstapels 100 nach einem Start des Brennstoffzellensystems 10 Wasserstoff zugeführt wird. Das mit dem Brennstoffzellensystem 10 ausgestattete Fahrzeug ist in dem „Bereitschaftszustand zum Starten des Fahrzeugs”. Der „Bereitschaftszustand zum Starten des Fahrzeugs” bedeutet der Zustand, der ein Starten des mit dem Brennstoffzellensystem 10 ausgestalten Fahrzeugs ermöglicht, beispielsweise durch das Niederdrücken eines Beschleunigerpedals durch den Benutzer. Der „Bereitschaftszustand zum Starten des Fahrzeugs” wird durch das Niederdrücken des Beschleunigerpedals durch den Benutzer freigegeben, und der Brennstoffzellenstapel 100 startet die Stromerzeugung.
  • 2 ist ein Flussdiagramm, das den von dem Controller 20 durchgeführten Wasserstoffzufuhrprozess zeigt. Beim Starten des Wasserstoffzufuhrprozesses liest der Controller 20 den im Vorhinein in dem ROM des Controllers 20 gespeicherten zweiten Solldruck P2 und stellt den zweiten Solldruck P2, der höher ist als der erste Solldruck P1, als den Solldruck der Anode in dem Brennstoffzellenstapel 100 ein (Schritt S100). Der erste Solldruck P1 ist ein Druck, der bestimmt wird, um zu bewirken, dass den gesamten Anoden des Brennstoffzellenstapels 100 Wasserstoff zugeführt wird. Gemäß dieser Ausführungsform ist der erste Solldruck P1 ein Gesamtdruck eines benötigten Mindestdrucks, um ein Teildefizit an Wasserstoff an den Anoden des Brennstoffzellenstapels 100 und einen Messfehler der Druckmesseinheit 56 zu verhindern. Der zweite Solldruck P2 ist ein eingestellter Druck, um zu verhindern, dass der Anodendruck in dem Brennstoffzellenstapel 100 unter den ersten Solldruck P1 abfällt, bis der Bereitschaftszustand zum Starten des Fahrzeugs freigegeben wird. Der zweite Solldruck P2 kann beispielsweise durch experimentelles Berechnen eines Verhältnisses der Verringerungsmenge des Wasserstoffs durch Übertritt in dem Brennstoffzellenstapel 100 zu der gewöhnlichen Zeitspanne bis zur Freigabe des Bereitschaftszustands zum Starten des Fahrzeugs und dem ersten Solldruck P1 sowie Addieren eines Messfehlers der Druckmesseinheit 56 zu dem berechneten Wert bestimmt werden.
  • Der Controller 20 steuert anschließend den Betrieb des Injektors 55 derart, dass sich der Anodendruck an den zweiten Solldruck P2 angleicht (Schritt S102). Der Controller 20 berechnet insbesondere einen Differenzdruck zwischen dem zweiten Solldruck P2 und dem von der Druckmesseinheit 56 erhaltenen Anodendruck in dem Brennstoffzellenstapel 100, betreibt den Injektor 55, um das Ventil des Injektors 55 zu öffnen, und führt das Anodengas entsprechend dem berechneten Differenzdruck zu, um zu bewirken, dass der Anodendruck den zweiten Solldruck P2 erreicht, und schließt anschließend das Ventil des Injektors 55. Die Verarbeitung des Schritts S102 erhöht den Anodendruck auf den zweiten Solldruck P2, der höher ist als der erste Solldruck P1.
  • Nach Erhöhen des Anodendrucks auf einen höheren Wert als den ersten Solldruck P1 durch Verarbeitung des Schritts S102, liest der Controller 20 den im Vorhinein in dem ROM des Controllers 20 gespeicherten ersten Solldruck P1 und stellt den ersten Solldruck P1 als den Solldruck der Anode in dem Brennstoffzellenstapel 100 ein (Schritt S108).
  • Gemäß dieser Ausführungsform führt der Controller 20 die folgende Serie von Steuerungen nach Betreiben des Injektors 55 zum Angleichen des Anodendrucks an den zweiten Solldruck P2 bei Schritt S102 und vor Einstellen des ersten Solldrucks P1 als den Solldruck der Anode bei Schritt S108 durch.
  • Nach Betreiben des Injektors 55 zum Angleichen des Anodendrucks an den zweiten Solldruck P2 (Schritt S102) bestimmt der Controller 20, ob eine zuvor eingestellte Zeit tP2 seit Einstellen des zweiten Solldrucks P2 als Solldruck (Schritt S104) abgelaufen ist. Nachstehend wird diese zuvor eingestellte Zeit tP2 vereinfacht als „eingestellte Zeit tP2” bezeichnet. Die eingestellte Zeit tP2 kann beispielsweise mehrere Sekunden betragen. Die eingestellte Zeit tP2 kann entsprechend einer zum Starten der anderen Systeme des Brennstoffzellensystems 10, beispielsweise des Kathodengaszufuhrsystems 30, benötigten Zeit geeignet bestimmt werden. Gemäß dieser Ausführungsform ist das Kathodengaszufuhrsystem 30 nach Ablauf der eingestellten Zeit tP2 bereit, dem Brennstoffzellenstapel 100 ausreichend Kathodengas zuzuführen und die Stromerzeugung unverzüglich durchzuführen.
  • Wenn die eingestellte Zeit tP2 noch nicht abgelaufen ist (Schritt S104: NEIN), erhält der Controller 20 den Anodendruck in dem Brennstoffzellenstapel 100 von der Druckmesseinheit 56 und bestimmt, ob der Anodendruck geringer wird als der zweite Solldruck P2 (Schritt S106). Wenn der Anodendruck geringer wird als der zweite Solldruck P2 (Schritt S106: JA), kehrt der Controller 20 zu Schritt S102 zurück, um den Injektor 55 zu betreiben, um den Anodendruck durch Zufuhr des Anodengases entsprechend dem Differenzdruck zwischen dem zweiten Solldruck P2 und dem von der Druckmesseinheit 56 erhaltenen Anodendruck in dem Brennstoffzellenstapel 100 an den zweiten Solldruck P2 anzugleichen.
  • Wenn die eingestellte Zeit tP2 noch nicht abgelaufen ist (Schritt S104: NEIN) und der Anodendruck nicht geringer wird als der zweite Solldruck P2 (Schritt S106: NEIN), bestimmt der Controller 20 erneut, ob die eingestellte Zeit tP2 abgelaufen ist (Schritt S104). Wenn die eingestellte Zeit tP2 jedoch abgelaufen ist (Schritt S104: JA), stellt der Controller 20 den ersten Solldruck P1 als den Solldruck der Anode ein (Schritt S108).
  • Nach Einstellen des ersten Solldrucks P1 (Schritt S108) bestimmt der Controller 20, ob der Bereitschaftszustand zum Starten des Fahrzeugs freigegeben ist (Schritt Silo). Wenn der Bereitschaftszustand zum Starten des Fahrzeugs nicht freigegeben ist (Schritt S110: NEIN), erhält der Controller 20 den Anodendruck in dem Brennstoffzellenstapel 100 von der Druckmesseinheit 56 und bestimmt, ob der Anodendruck geringer wird als der erste Solldruck P1 (Schritt S112). Wenn der Anodendruck geringer wird als der erste Solldruck P1 (Schritt S112: JA), betreibt der Controller 20 den Injektor 55, um den Anodendruck durch Zuführen des Anodengases entsprechend dem Differenzdruck zwischen dem ersten Solldruck P1 und dem von der Druckmesseinheit 56 erhaltenen Anodendruck in dem Brennstoffzellenstapel 100 an den ersten Solldruck P1 anzugleichen (Schritt S114).
  • Wenn der Bereitschaftszustand zum Starten des Fahrzeugs nicht freigegeben ist (Schritt S110: NEIN) und der Anodendruck nicht geringer wid als der erste Solldruck P1 (Schritt S112: NEIN), kehrt der Controller 20 zu Schritt S110 zurück, um zu bestimmen, ob der Bereitschaftszustand zum Starten des Fahrzeugs freigegeben ist.
  • Wenn der Bereitschaftszustand zum Starten des Fahrzeugs jedoch freigegeben ist (Schritt S110: JA), beendet der Controller 20 den Wasserstoffzufuhrprozess und ändert den Solldruck auf einen zur Stromerzeugung des Brennstoffzellenstapels 100 benötigten Druck. Der Controller 20 beginnt außerdem den Luftkompressor 32 und die Kühlwasserpumpe 73 für die Stromerzeugung des Brennstoffzellenstapels 100 anzutreiben.
  • 3 ist ein Diagramm, das ein Beispiel des Zustands des Brennstoffzellensystems 10 in dem Wasserstoffzufuhrprozess darstellt. 3 zeigt Variationen in dem Betriebsmodus des Brennstoffzellensystems 10, dem Wasserstoffdruck als Anodendruck, dem Ventil-Öffnungs/Schließ-Zustand des Injektors 55, der Drehzahl des Luftkompressors 32 und der Drehzahl der Kühlwasserpumpe 73 mit der Zeit als Abszisse. Hinsichtlich des Wasserstoffdrucks in 3 zeigt eine mit einer durchbrochenen Linie dargestellte Kurve eine Variation des Solldrucks, und eine mit einer durchgezogenen Linie dargestellte Kurve zeigt eine Variation des gemessenen Druckwerts.
  • Wie in 3 gezeigt ist, wird der Betriebsmodus des Brennstoffzellensystems 10 bei Beendigung der Startphase eines Hochspannungssystems wie einer mit dem Brennstoffzellensystem 10 verbundenen Batterie (zur Zeit t1) von einem Modus 0, der einen Stoppmodus anzeigt, auf einen Modus 1 umgeschaltet, der einen Startmodus anzeigt. Der Brennstoffzellenstapel 100 befindet sich in dem Nicht-Stromerzeugungszustand, so dass weder der Luftkompressor 32 noch die Kühlwasserpumpe 73 angetrieben werden.
  • Zu der Zeit t1 stellt der Controller 20 den zweiten Solldruck P2 als den Solldruck der Anode ein (Schritt S100 in 2) und betreibt den Injektor 55, um den Anodendruck an den zweiten Solldruck P2 anzugleichen (Schritt S102 in 2). Der Messwert des Wasserstoffdrucks erreicht dann den zweiten Solldruck P2.
  • Wie in 3 gezeigt ist, wird der erste Solldruck P1 nach Ablauf der eingestellten Zeit tP2 (zu der Zeit t2, Schritt S104: JA in 2) als der Solldruck der Anode eingestellt (Schritt S108 in 2). Bei dem in 3 dargestellten Beispiel wird der Messwert des Wasserstoffdrucks nicht geringer als der erste Solldruck P1 solange der Bereitschaftszustand zum Starten des Fahrzeugs nicht freigegeben ist. Der Injektor 55 wird dementsprechend nur einmal betrieben, damit der Wasserstoffdruck während des Bereitschaftszustands zum Starten des Fahrzeugs den zweiten Solldruck P2 erreicht.
  • Wenn der Bereitschaftszustand zum Starten des Fahrzeugs freigegeben ist (zu der Zeit t3) werden der Luftkompressor 32 und die Kühlwasserpumpe 73 angetrieben, und der Injektor 55 wird betrieben, um den zur Stromerzeugung benötigten Wasserstoff zuzuführen.
  • A3. Vorteilhafte Effekte
  • Im Allgemeinen werden in dem Nicht-Stromerzeugungszustand des Brennstoffzellensystems 10 weder der Luftkompressor 32 noch die Kühlwasserpumpe 73 angetrieben. Daher ist es wahrscheinlich, dass ein Betrieb des Injektors 55, insbesondere ein häufiger Betrieb des Injektors 55 in dem Nicht-Stromerzeugungszustand aufgrund des fehlenden Betriebsgeräusches des Luftkompressors 32 und der Kühlwasserpumpe 73 im Vergleich zum Betrieb des Injektors 55 in dem Nicht-Stromerzeugungszustand unangenehm für den Benutzer des mit dem Brennstoffzellensystem 10 ausgestatteten Fahrzeugs ist. Wie jedoch vorstehend beschrieben ist, stellt das Brennstoffzellensystem 10 der Ausführungsform den zweiten Solldruck P2, der höher ist als der erste Solldruck P1, als den Solldruck der Anode im Nicht-Stromerzeugungszustand des Brennstoffzellenstapels 100 ein, und steuert den Betrieb des Injektors 55 derart, dass sich der Anodendruck an den zweiten Solldruck P2 angleicht. Nach Erhöhen des Anodendrucks auf einen höheren Wert als den ersten Solldruck P1 stellt das Brennstoffzellensystem 10 den ersten Solldruck P1 als den Solldruck der Anode ein und steuert den Betrieb des Injektors 55 derart, dass sich der Anodendruck an den ersten Solldruck P1 angleicht. Dies verringert die Häufigkeit, mit welcher der Anodendruck unter den ersten Solldruck P1 abfällt. Dies führt zu einer Verringerung der Anzahl an Malen des Betriebs des Injektors 55 zum Zweck des Angleichens des Anodendrucks an den Solldruck. Dies verringert dementsprechend zumindest entweder das Geräusch und/oder die Vibration, die durch den Betrieb des Injektors 55 entstehen.
  • Zudem ist der erste Solldruck P1 der zur Zufuhr von Wasserstoff zu den gesamten Anoden des Brennstoffzellenstapels 100 benötigte Mindestdruck. Dadurch wird eine durch ein Teildefizit an Wasserstoff an den Anoden hervorgerufene Schädigung des Brennstoffzellenstapels 100 verhindert.
  • Das Brennstoffzellensystem 10 der Ausführungsform führt den Anoden in dem Nicht-Stromerzeugungszustand des Brennstoffzellenstapels 100 Wasserstoff zu. Dies überbrückt die Zeitspanne bis dem Brennstoffzellenstapel 100 zu der Zeit der Stromerzeugung des Brennstoffzellenstapels 100 tatsächlich Wasserstoff zugeführt wird. Dadurch wird entsprechend die zum Starten der Stromerzeugung des Brennstoffzellenstapels 100 benötigte Zeit verkürzt.
  • B. Zweite Ausführungsform
  • B1. Systemkonfiguration
  • Das Brennstoffzellensystem 10 der ersten Ausführungsform verhindert eine durch ein Wasserstoffdefizit an den Anoden verursachte Schädigung des Brennstoffzellenstapels 100, während es das Geräusch und die Vibration verringert, die durch den Betrieb des Injektors 55 in dem Nicht-Stromerzeugungszustand, das heißt, nach einem Start des Brennstoffzellensystems 10, aber vor der Stromerzeugung des Brennstoffzellenstapels 100, entstehen. Eine zweite Ausführungsform beschreibt jedoch ein Brennstoffzellensystem 10a, das ein Anodengaszirkulationssystem 80 umfasst, das derart konfiguriert ist, dass es ein von den Anoden zu dem Brennstoffzellenstapel 100 abgegebenes Anodenabgas zirkuliert, und eine durch ein Wasserstoffdefizit an den Anoden verursachte Schädigung des Brennstoffzellenstapels 100 dadurch effektiver verhindert.
  • 4 ist ein Diagramm, das die schematische Konfiguration des Brennstoffzellensystems 10a gemäß der zweiten Ausführungsform darstellt. Das Brennstoffzellensystem 10a dieser Ausführungsform umfasst den Brennstoffzellenstapel 100, den Controller 20, das Kathodengaszufuhrsystem 30, das Kathodengasabführsystem 40, das Anodengaszufuhrsystem 50, das Anodengasabführsystem 60, das Kühlsystem 70 und das Anodengaszirkulationssystem 80.
  • Das Anodengaszirkulationssystem 80 umfasst hauptsächlich eine Anodengaszirkulationsleitung 81 und eine Wasserstoffpumpe 82, die an der Anodengaszirkulationsleitung 81 angeordnet ist. Der Controller 20 steuert das Anodengaszirkulationssystem 80 derart, dass die Wasserstoffpumpe 82 betrieben wird und ein Anodenabgas mittels der Anodengaszirkulationsleitung 81 zu den Anoden des Brennstoffzellenstapels 100 zirkuliert. Das Anodenabgas ist ein Gas, das Wasserstoff und Stickstoff als nicht umgesetzte Gase enthält, die nicht durch die Stromerzeugungsreaktion an den Anoden des Brennstoffzellenstapels 100 verbraucht werden, und wird von den Anoden abgegeben. Der Controller 20 betreibt außerdem die Wasserstoffpumpe 82, um das von den Anoden abgegebene Anodenabgas in dem Nicht-Stromerzeugungszustand zu den Anoden zurückzuführen. Die Anodengaszirkulationsleitung 81 wird auch als „Zirkulationspassage” bezeichnet. Das Brennstoffzellensystem 10a der zweiten Ausführungsform hat eine ähnliche Konfiguration wie die Konfiguration des Brennstoffzellensystems 10 der ersten Ausführungsform, mit Ausnahme der Konfiguration des Anodengaszirkulationssystems 80. Die weitere Konfiguration des Brennstoffzellensystems 10a der zweiten Ausführungsform wird daher nicht speziell beschrieben.
  • B2. Wasserstoffzufuhrprozess
  • 5 ist ein Flussdiagramm, das einen von dem Controller 20 durchgeführten Wasserstoffzufuhrprozess gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt. Gemäß der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform stellt der Controller 20 den zweiten Solldruck P2 als den Solldruck der Anode ein (Schritt S100 in 2) und betreibt den Injektor 55 derart, dass der Anodendruck den zweiten Solldruck P2 erreicht (Schritt S102 in 2). Gemäß der zweiten Ausführungsform stellt der Controller 20 jedoch den zweiten Solldruck P2 und eine zweite Drehzahl R2 ein (Schritt S200 in 5), und treibt anschließend die Wasserstoffpumpe 82 mit der zweiten Drehzahl R2 an, während er den Injektor 55 betreibt, um den Anodendruck an den zweiten Solldruck P2 anzugleichen (Schritt S202 in 5). Zudem stellt der Controller 20 gemäß der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform nach Ablauf der eingestellten Zeit tP2 den ersten Solldruck P1 als den Solldruck der Anode ein (Schritt S108 in 2). Gemäß der zweiten Ausführungsform stellt der Controller 20 nach Ablauf der eingestellten Zeit tP2 jedoch den ersten Solldruck P1 und eine erste Drehzahl R1 ein (Schritt S208 in 5), und treibt die Wasserstoffpumpe 82 mit der ersten Drehzahl R1 an (Schritt S209 in 5). Der andere Teil des Wasserstoffzufuhrprozesses der zweiten Ausführungsform ist ähnlich wie jener der ersten Ausführungsform und wird nicht speziell beschrieben.
  • Gemäß dieser Ausführungsform ist die zweite Drehzahl R2 eine ausreichende Drehzahl, um den Zustand zu vermeiden, bei dem Luft in den Anoden des Brennstoffzellenstapels 100 vorhanden ist, gegebenenfalls bei einem Start des Wasserstoffzufuhrprozesses, und um den gesamten Anoden Wasserstoff zuzuführen. Die erste Drehzahl R1 ist eine benötigte Mindestdrehzahl der Wasserstoffpumpe 82. Der Controller 20 kann bei einem Start des Wasserstoffzufuhrprozesses beginnen, die Wasserstoffpumpe 82 mit der ersten Drehzahl R1 anzutreiben.
  • 6 ist ein Diagramm, das ein Beispiel des Zustands des Brennstoffzellensystems 10a in dem Wasserstoffzufuhrprozess der zweiten Ausführungsform darstellt. 6 zeigt Variationen in dem Betriebsmodus des Brennstoffzellensystems 10a, dem Wasserstoffdruck, dem Ventil-Öffnungs-/Schließ-Zustand des Injektors 55, der Drehzahl des Luftkompressors 32, der Drehzahl der Kühlwasserpumpe 73 und der Drehzahl der Wasserstoffpumpe 82 mit der Zeit als Abszisse. Hinsichtlich der in 6 gezeigten Drehzahl der Wasserstoffpumpe 82 zeigt eine mit einer durchbrochenen Linie dargestellte Kurve eine Variation der Solldrehzahl an, und eine mit einer durchgezogenen Linie dargestellte Kurve zeigt eine Variation des Messwerts der Drehzahl an. Gemäß dieser Ausführungsform stellt der Controller 20 zu der Zeit t1 den zweiten Solldruck P2 als den Solldruck der Anode ein (Schritt S200 in 5), und betreibt den Injektor 55, um den Anodendruck an den zweiten Solldruck P2 anzugleichen (Schritt S202 in 5). Der Messwert des Wasserstoffdrucks erreicht dann den zweiten Solldruck. Zur gleichen Zeit treibt der Controller 20 die Wasserstoffpumpe 82 mit der zweiten Drehzahl R2 an (Schritt S202 in 5).
  • Wie in 6 gezeigt ist, stellt der Controller 20 nach Ablauf der eingestellten Zeit tP2 (zu der Zeit t2, Schritt S204: JA in 5) den ersten Solldruck P1 als den Solldruck der Anode ein und stellt die erste Drehzahl R1 als die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 82 ein (Schritt S208 in 5), und treibt die Wasserstoffpumpe 82 mit der ersten Drehzahl R1 an (Schritt S209 in 5). Bei dem in 6 dargestellten Beispiel wird der Messwert des Wasserstoffdrucks nicht geringer als der erste Solldruck P1, bis der Bereitschaftszustand zum Starten des Fahrzeugs freigegeben ist. Bei dem in 6 dargestellten Beispiel wird der Injektor 55 dementsprechend nur einmal während des Bereitschaftszustands zum Starten des Fahrzeugs betrieben. Die Wasserstoffpumpe 82 wird mit der zweiten Drehzahl R2 angetrieben und wird anschließend mit der ersten Drehzahl R1 angetrieben, welche die benötigte Mindestdrehzahl der Wasserstoffpumpe 82 darstellt. Wenn der Bereitschaftszustand zum Starten des Fahrzeugs freigegeben wird (zu der Zeit t3), werden der Luftkompressor 32 und die Kühlwasserpumpe 73 angetrieben, und der Injektor 55 wird betrieben, um einen für die Stromerzeugung benötigten Druck zu liefern.
  • B3. Vorteilhafte Effekte
  • Wie vorstehend beschrieben ist, stellt das Brennstoffzellensystem 10a dieser Ausführungsform in dem Nicht-Stromerzeugungszustand der Brennstoffzelle den zweiten Solldruck P2 als den Solldruck der Anode ein, und stellt anschließend den ersten Solldruck P1, der geringer ist als der zweite Solldruck P2, als den Solldruck der Anode ein. Der erste Solldruck P1 ist der benötigte Mindestdruck, um den gesamten Anoden Wasserstoff zuzuführen. Das Brennstoffzellensystem 10a hat dementsprechend ähnliche vorteilhafte Effekte wie jene der ersten Ausführungsform.
  • Zudem treibt der Controller 20 in dem Brennstoffzellensystem 10a dieser Ausführungsform die Wasserstoffpumpe 82 an, um die Zufuhr von Wasserstoff zu den gesamten Anoden zu erleichtern. Dadurch wird eine durch ein Teildefizit an Wasserstoff in den Anoden verursachte Schädigung des Brennstoffzellenstapels 100 effektiver verhindert. Ferner ist die erste Drehzahl R1 die benötigte Mindestdrehzahl, um ein Teildefizit an Wasserstoff an den Anoden zu verhindern. Dadurch wird entsprechend das Geräusch und die Vibration, die durch den Betrieb der Wasserstoffpumpe 82 entstehen, verringert, selbst wenn die Wasserstoffpumpe 82 in dem Nicht-Stromerzeugungszustand betrieben wird.
  • Das Brennstoffzellensystem 10a dieser Ausführungsform treibt die Wasserstoffpumpe 82 mit der zweiten Drehzahl R2 an, die höher ist als die erste Drehzahl R1, während es gleichzeitig den zweiten Solldruck P2 als den Solldruck der Anode einstellt. Selbst wenn bei dem Start des Brennstoffzellensystems 10a Luft an den Anoden des Brennstoffzellenstapels 100 vorhanden ist, ermöglicht dies eine schnellere Zufuhr von Wasserstoff zu den gesamten Anoden, und verhindert dadurch effektiv ein Teildefizit an Wasserstoff an den Anoden.
  • C. Dritte Ausführungsform
  • C1. Systemkonfiguration
  • Die Brennstoffzellensysteme 10 und 10a der ersten und der zweiten Ausführungsformen verringern das Geräusch und die Vibration, die durch den Betrieb des Injektors 55 entstehen, während sie dem Brennstoffzellenstapel 100 in dem Nicht-Stromerzeugungszustand Wasserstoff zuführen, um die Zeitspanne zu überbrücken, bis dem Brennstoffzellenstapel 100 bei dem Start der Stromerzeugung der Brennstoffzellen 11 tatsächlich Wasserstoff zugeführt wird. Eine dritte Ausführungsform beschreibt jedoch ein Brennstoffzellensystem, das derart konfiguriert ist, dass es das Geräusch und die Vibration, die durch den Betrieb des Injektors 55 entstehen, unterdrückt, während es dem Brennstoffzellenstapel 100 Wasserstoff zuführt, um einen Wasserstoff-Lecktest in dem Nicht-Stromerzeugungszustand des Brennstoffzellenstapels 100 durchzuführen. In dem Nicht-Stromerzeugungszustand nach Angleichen des Anodendrucks an den zweiten Solldruck P2 misst der Controller 20 den Anodendruck, um den Wasserstoff-Lecktest durchzuführen. Die schematische Konfiguration des Brennstoffzellensystems der dritten Ausführungsform ist ähnlich wie jene der ersten Ausführungsform und wird daher nicht speziell beschrieben.
  • C2. Wasserstoffzufuhrprozess
  • 7 ist ein Flussdiagramm, das einen Wasserstoffzufuhrprozess gemäß der dritten Ausführungsform zeigt. Der Wasserstoffzufuhrprozess dieser Ausführungsform wird gleichzeitig mit dem Wasserstoff-Lecktest durchgeführt.
  • Beim Start des Wasserstoffzufuhrprozesses stellt der Controller 20 den zweiten Solldruck P2 als den Solldruck der Anode ein (Schritt S300) und betreibt den Injektor 55, um den Anodendruck an den zweiten Solldruck P2 anzugleichen, und schließt anschließend die Schaltventile 53 und 66. Wenn der Anodendruck den zweiten Solldruck P2 erreicht (Schritt S304: JA), stellt der Controller 20 den ersten Solldruck P1 als den Solldruck der Anode ein (Schritt S308). Wenn der Anodendruck den zweiten Solldruck P2 nicht erreicht (Schritt S304: NEIN), wartet der Controller 20 jedoch bis der Anodendruck den zweiten Solldruck P2 erreicht.
  • Der Controller 20 bestimmt anschließend, ob eine Abnahme des Anodendrucks gleich ist wie oder höher ist als ein vorbestimmter Wert (Schritt S310). Der Controller 20 erhält insbesondere den von der Druckmesseinheit 56 gemessenen Anodendruck und bestimmt, ob die Abnahme des Anodendrucks gleich ist wie oder höher ist als die Summe eines Abnahmebetrags an Wasserstoff durch Übertritt und eines Messfehlers der Druckmesseinheit 56. Wenn die Abnahme des Anodendrucks gleich ist wie oder höher ist als der vorbestimmte Wert (Schritt S310: JA), informiert der Controller 20 den Benutzer beispielsweise durch Einschalten einer Alarmleuchte über einen Wasserstoffaustritt (Schritt S311), und beendet den Wasserstoffzufuhrprozess.
  • Wenn die Abnahme des Anodendrucks geringer ist als der vorbestimmte Wert (Schritt S310: NEIN), bestimmt der Controller 20 jedoch, ob eine vorbestimmte Zeit abgelaufen ist (Schritt S312). Die vorbestimmte Zeit ist eine Zeitspanne, die im Vorhinein bestimmt wird, um den Wasserstoff-Lecktest durchzuführen, und kann beispielsweise zu laufen anfangen nachdem der Anodendruck den zweiten Solldruck P2 erreicht. Wenn die vorbestimmte Zeit noch nicht abgelaufen ist (Schritt S312: NEIN), kehrt der Controller 20 zu Schritt S310 zurück, um erneut zu bestimmen, ob die Abnahme des Anodendrucks gleich ist wie oder höher ist als der vorbestimmte Wert.
  • Nachdem die vorbestimmte Zeit abgelaufen ist (Schritt S312: JA), öffnet der Controller 20 die Schaltventile 53 und 66 und führt eine Reihe von Verarbeitungen durch, die der Verarbeitung von Schritten S110 bis S114 in der ersten Ausführungsform entspricht (Schritte S314 bis S318). Der Controller 20 bestimmt insbesondere, ob der Bereitschaftszustand zum Starten des Fahrzeugs freigegeben ist (Schritt S314). Wenn der Bereitschaftszustand nicht freigegeben ist (Schritt S314: NEIN), bestimmt der Controller 20, ob der Anodendruck geringer wird als der erste Solldruck P1 (Schritt S316). Wenn der Anodendruck geringer wird als der erste Solldruck P1 (Schritt S316: JA), betreibt der Controller 20 den Injektor 55, um den Anodendruck an den ersten Solldruck P1 anzugleichen (Schritt S318). Wenn der Bereitschaftszustand zum Starten des Fahrzeugs freigegeben ist (Schritt S314: JA), beendet der Controller 20 den Wasserstoffzufuhrprozess jedoch.
  • C3. Vorteilhafte Effekte
  • Wie vorstehend beschrieben ist, stellt das Brennstoffzellensystem dieser Ausführungsform den zweiten Solldruck P2 als den Solldruck der Anode ein, und stellt anschließend bei dem gleichzeitig mit dem Wasserstoffzufuhrprozess durchgeführten Wasserstoff-Lecktest den ersten Solldruck P1, der geringer ist als der zweite Solldruck P2, als den Solldruck der Anode ein. Der erste Solldruck P1 ist der benötigte Mindestdruck, um den gesamten Anoden Wasserstoff zuzuführen. Das Brennstoffzellensystem dieser Ausführungsform hat dementsprechend ähnliche vorteilhafte Effekte wie jene der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform bei der Konfiguration, die den Wasserstoff-Lecktest gleichzeitig mit dem Wasserstoffzufuhrprozess durchführt.
  • D. Modifikationen
  • D1. Modifikation 1
  • Bei den jeweiligen vorstehend beschriebenen Ausführungsformen betreibt der Controller 20 den Injektor 55, um den Anodendruck an den ersten Solldruck P1 anzugleichen (Schritt S114 in 2, Schritt S214 in 5 oder Schritt S318 in 7), wenn der Anodendruck geringer wird als der erste Solldruck P1 (Schritt S112: JA in 2, Schritt S212: JA in 5 oder Schritt S316: JA in 7). Gemäß einer Modifikation kann der Controller 20 den Injektor 55 betreiben, um den Anodendruck an einen höheren Druck als den ersten Solldruck P1, zum Beispiel den zweiten Solldruck P2, anzugleichen, wenn der Anodendruck geringer wird als der erste Solldruck P1. Im Vergleich zu der Konfiguration, die den Injektor 55 betreibt, um den Anodendruck an den ersten Solldruck P1 anzugleichen, erhöht diese modifizierte Konfiguration den Anodendruck und verlängert dadurch eine Zeitspanne bis der Anodendruck geringer wird als der erste Solldruck P1. Diese verringert die Häufigkeit des Betriebs des Injektors 55 in dem Wasserstoffzufuhrprozess weiter und verringert dadurch das Geräusch und die Vibration in dem Brennstoffzellensystem 10 oder 10a.
  • D2. Modifikation 2
  • Bei der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform und zweiten Ausführungsform betreibt der Controller 20 den Injektor 55, um den Anodendruck an den zweiten Solldruck P2 anzugleichen (Schritt S102 in 2 oder Schritt S202 in 5), wenn der Anodendruck geringer wird als der zweite Solldruck P2 (Schritt S106: JA in 2 oder Schritt S206: JA in 5). Gemäß einer Modifikation kann der Controller 20 den Injektor 55 betreiben, um den Anodendruck an den zweiten Solldruck P2 anzugleichen, wenn der Anodendruck um einen vorbestimmten Prozentsatz geringer wird als der zweite Solldruck P2. Der Controller 20 kann den Injektor 55 beispielsweise betreiben, um den Anodendruck an den zweiten Solldruck P2 anzugleichen, wenn der Anodendruck um 10% geringer wird als der zweite Solldruck P2.
  • D3. Modifikation 3
  • Bei der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform und zweiten Ausführungsform betreibt der Controller 20 den Injektor 55, um den Anodendruck an den zweiten Solldruck P2 anzugleichen (Schritt S102 in 2 oder Schritt S202 in 5). Der Anodendruck muss nicht zwingend derart gesteuert werden, dass er den zweiten Solldruck P2 erreicht, er sollte jedoch derart gesteuert werden, dass er höher ist als der erste Solldruck P1, um die Häufigkeit des Betriebs des Injektors 55 zu verringern.
  • D4. Modifikation 4
  • Bei der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform bestimmt der Controller 20, ob die eingestellte Zeit tP2 abgelaufen ist (Schritt S104 in 2). Wenn die eingestellte Zeit tP2 noch nicht abgelaufen ist (Schritt S104: NEIN in 2), bestimmt der Controller 20, ob der Anodendruck geringer wird als der zweite Solldruck P2 (Schritt S106 in 2). Bei einer Modifikation kann die Verarbeitung der Schritte S104 und S106 weggelassen werden.
  • D5. Modifikation 5
  • Bei der vorstehend beschriebenen zweiten Ausführungsform bestimmt der Controller 20, ob die eingestellte Zeit tP2 abgelaufen ist (Schritt S204 in 5). Wenn die eingestellte Zeit tP2 noch nicht abgelaufen ist (Schritt S204: NEIN in 5), bestimmt der Controller 20, ob der Anodendruck geringer wird als der zweite Solldruck P2 (Schritt S206 in 5). Bei einer Modifikation kann die Verarbeitung der Schritte S204 und S206 weggelassen werden.
  • D6. Modifikation 6
  • Bei den jeweiligen vorstehend beschriebenen Ausführungsformen erhält der Controller 20 den Druck an der stromabwärtigen Seite des Injektors 55 als den Anodendruck des Brennstoffzellenstapels 100. Gemäß einer Modifikation kann an dem Brennstoffzellenstapel 100 ein Drucksensor angeordnet sein, und der Controller 20 kann den von dem Sensor gemessenen Druck als den Anodendruck in dem Brennstoffzellenstapel 100 erhalten. Gemäß einer weiteren Modifikation kann ein Drucksensor an der Brennstoffzelle 11 angeordnet sein, die am weitesten von der Anodengasleitung 51 entfernt positioniert ist, und der Controller 20 kann den von dem Sensor gemessenen Druck als den Anodendruck des Brennstoffzellenstapels 100 erhalten. Gemäß einer weiteren Modifikation kann ein Stromsensor angeordnet sein, um den Stromwert der Brennstoffzelle 11 zu messen, und der Controller 20 kann den Stromwert der Brennstoffzelle 11 erhalten und den Anodendruck anhand des erhaltenen Stromwerts basierend auf einem im Vorhinein experimentell bestimmten Verhältnis zwischen dem Stromwert und dem Anodendruck berechnen.
  • D7. Modifikation 7
  • Bei den jeweiligen vorstehend beschriebenen Ausführungsformen führt der Controller 20 das Anodengas basierend auf dem erhaltenen Anodendruck zu. Gemäß einer Modifikation kann an dem Brennstoffzellensystem 10 oder 10a ein Sensor angeordnet sein, der derart konfiguriert ist, dass er einen Wasserstoffpartialdruck oder eine Wasserstoffkonzentration des Anodengases misst, und der Controller 20 kann den Wasserstoffpartialdruck oder die Wasserstoffkonzentration des Anodengases erhalten. Der Controller 20 kann das Anodengas basierend auf dem erhaltenen Wasserstoffpartialdruck oder der Wasserstoffkonzentration zuführen.
  • D8. Modifikation 8
  • Bei den jeweiligen vorstehend beschriebenen Ausführungsformen werden der erste Solldruck P1 und der zweite Solldruck P2 in dem ROM des Controllers 20 gespeichert. Gemäß einer Modifikation kann der Controller 20 eine Berechnungsformel oder ein Kennfeld in dem ROM speichern, die ein Verhältnis zwischen dem erhaltenen Anodendruck und dem zur Verhinderung eines Wasserstoffdefizits an den Anoden benötigten Wasserstoffdruck vorgeben, und den Solldruck basierend auf der Berechnungsformel oder dem Kennfeld einstellen.
  • D9. Modifikation 9
  • Die vorstehend beschriebene dritte Ausführungsform umfasst wie die erste Ausführungsform das Brennstoffzellensystem den Brennstoffzellenstapel 100, den Controller 20, das Kathodengaszufuhrsystem 30, das Kathodengasabführsystem 40, das Anodengaszufuhrsystem 50, das Anodengasabführsystem 60 und das Kühlsystem 70. Gemäß einer Modifikation kann das Brennstoffzellensystem der dritten Ausführungsform wie die zweite Ausführungsform zusätzlich das Anodengaszirkulationssystem 80 umfassen, das dazu konfiguriert ist, das Anodenabgas zu dem Brennstoffzellenstapel 100 zu zirkulieren. Zudem kann das Brennstoffzellensystem der dritten Ausführungsform wie die zweite Ausführungsform den ersten Solldruck P1 und die erste Drehzahl R1 einstellen, und die Wasserstoffpumpe mit der ersten Drehzahl R1 antreiben. Das Brennstoffzellensystem der dritten Ausführungsform kann außerdem den zweiten Solldruck P2 und die zweite Drehzahl R2 einstellen und den Injektor betreiben, um den Anodendruck an den zweiten Solldruck P2 anzugleichen, während die Wasserstoffpumpe mit der zweiten Drehzahl R2 angetrieben wird. Diese Modifikation der dritten Ausführungsform hat ähnliche vorteilhafte Effekte wie jene der zweiten Ausführungsform in der Konfiguration, die den Wasserstoff-Lecktest durchführt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2015-127344 [0001]
    • JP 2008-130442 A [0003]

Claims (3)

  1. Brennstoffzellensystem, aufweisend: einen Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl an Brennstoffzellen, wobei jede Brennstoffzelle eine Elektrolytmembran, eine an einer Oberfläche der Elektrolytmembran ausgebildete Anode und eine an einer anderen Oberfläche der Elektrolytmembran ausgebildete Kathode umfasst; einen Injektor, der derart konfiguriert ist, dass er der Anode Wasserstoff zuführt; und einen Controller, der derart konfiguriert ist, dass er den Vorgang des Injizierens derart steuert, dass ein Druck der Anode einen Solldruck erreicht, wobei der Controller in einem Nicht-Stromerzeugungszustand, das heißt, nach einem Start des Brennstoffzellensystems aber vor Stromerzeugung der Brennstoffzellen, einen zweiten Solldruck, der höher ist als ein erster Solldruck, als Solldruck einstellt und den Betrieb des Injektors derart steuert, dass sich der Druck der Anode an den zweiten Solldruck angleicht, und der Controller den ersten Solldruck nach Erhöhen des Drucks der Anode auf einen höheren Wert als den ersten Solldruck auf den Solldruck einstellt und den Betrieb des Injektor derart steuert, dass sich der Druck der Anode an den ersten Solldruck angleicht, wobei der erste Solldruck ein benötigter Druck ist, um den gesamten Anoden in dem Brennstoffzellenstapel Wasserstoff zuzuführen.
  2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, ferner aufweisend: eine Zirkulationspassage, die derart angeordnet ist, dass sie ein von der Anode abgegebenes Abgas zu der Anode zurückführt; und eine Pumpe, die an der Zirkulationspassage vorgesehen ist, wobei der Controller die Pumpe derart betreibt, dass er ein von der Anode abgegebenes Abgas in dem Nicht-Stromerzeugungszustand zu der Anode zurückführt.
  3. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Controller in dem Nicht-Stromerzeugungszustand nach Angleichen des Drucks der Anode an den zweiten Solldruck, den Druck der Anode misst, um einen Wasserstoff-Lecktest durchzuführen.
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